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Procédé et dispositif pour la fabrication de grands blocs réfractaires destinés au maçonnage de convertisseurs et fours industriels.
Depuis-1964- l'ARBED poursuit à l'usine d'Esch- Schifflange des recherches sur l'utilisation de blocs ré- fractaires de grande dimension pour le maçonnage des conver- tisseurs ou fours industriels. Le problème de la pose de grands blocs réfractaires dans des fours industriels dont le rapport hauteur sur diamètre est élevée et dont le diamètre est variable avec la hauteur, tels que convertisseurs ¯.ou fours métallurgiques, a été résolu en 1964 grâce à l'invention d'une machine de maçonnage, brevet luxembourgeois n 44. 446, pouvant opérer à l'intérieur de ces fours.
La présente demande de brevet a pour objet une nouvelle méthode
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et de nouveaux moyens de fabrication de grands blocs réfrac- taires destinés au maçonnage de tels fours industriels, dont le revêtement réfractaire est composé de plusieurs rangées de blocs superposées, p.ex. comme ébauchées à la figure 1 en annexe. Sur la figure 1, l'axe du four est représenté par la ligne xy, C désigne la carcasse métallique, B le revêtement permanent ou de sécurité, I, II, III, IV et V sont des coupes à travers les blocs réfractaires qui composent le revêtement d'usure. La figure 2 décrit l'ancienne méthode de fabrication des blocs
Le bloc III de la figura 1 est représenté à la figure 2, entouré de son moule et debout sur la table de , vibration.
En utilisant pour la fabrication de blocs pour convertisseurs la méthode traditionnelle, telle qu'elle est employée de longue date pour les blocs réfractaires des fours à arc, c'est-à-dire des fours cylindriques droits de faible hauteur, l'expérience montre que ces blocs présentent des désavantages substantiels quant à la rapidité du maçonnage, ; la qualité des blocs individuels et la qualité ou durée du garnissage des fours de grande hauteur. En effet, les blocs fabriqués suivant la méthode traditionnelle (figure 2) ont. une épaisseur rigoureusement définie et invariable, mais une hauteur qui peut varier accidentellement de plusieurs centi- mètres.
En outre, leur surface supérieure P2 n'est pas absolument plane et lisse, leur couche supérieure présente des défauts, par exemple un apauvrissement ou un enrichisse- ment en goudron, tels qu'ils peuvent résulter d'un chauffage . intermédiaire suivi d'une deuxième vibration. Finalement ils s'usent de façon irrégulière à cause de la formation de cavités locales qui se situent de préférence au voisinage des plans de séparation horizontaux et qui conduisent à l'arrêt préma- turé de la campagne du revêtement.
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Tous les défauts et désavantages oiés accompagnant la fabrication des blocs selon la méthode traditionnelle (figure 2), sont éliminés par la nouvelle méthode et les nouveaux moyens de fabrication qui font l'objet de la présente invention, La nouvelle méthode de fabrication (figure 3) consiste essentiellement à vibrer les blocs dans la position "couchée" ou horizontale, par opposition à la position "debout" ou verticale qu'ils occupent dans le four (figure 1) et qu'ils occupaient dans l'ancienne méthode sur la table de vibration ou de damage (figure 2).
Selon la nouvelle méthode de fabri- cation par damage ou par vibration, le bloc III de la figure 1 repose donc, comme indiqué à la figure 3, sur sa face extérieu- re, c'est-à-dire la face qui dans le convertisseur touche le revêetment permanent ou la carcasse métallique du convertisseur.
Il en résulte que les cinq faces qui touchent dans le convertisseur les blocs voisins ou le revêtement permanent sont rigoureusement définies par les faces correspondantes du moule qu'elles touchent pendant la fabrication du bloc.
On a constaté que cette nouvelle méthode de fabriquer des blocs en "position couchée", par opposition à la position "debout" qu'occupe le bloc dans le convertisseur, permet d'obtenir des blocs pour convertisseurs qui donnent des résultats supérieurs à ceux des blocs fabriqués selon la méthode traditionnelle. En effet, le nouveau procédé et les nouveaux moyens de fabrication de blocs réfractaires ne fournissent pas seulement de meilleurs blocs individuels ni seulement des assemblages (édifices) de blocs plus précis et plus résistants, mais permettent encore l'applica- tion de plusieurs techniques d'amélioration.
1) Les propriétés les plus importantes pour la durée des garnissages, telles que la densité, la teneur en goudron et
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la granulométrie sont très homogènes dans tout plan ou toute couche parallèles à la surface intérieure A1 A2 B1 B2 des blocs fabriques selon le nouveau procédé(figure 3).
Cette homogénéité entraîne une usure très régulière parallè- lement à la surface intérieure.
2) Les faces inférieures P1 et supérieure P2 des blocs fabriqués selon le nouveau procédé sont parfaitement lisses et planes. En outre, la hauteur de ces blocs est essentiellement constante et égale à la distance séparant les parois du moule qui touchent les faces P1 et P2 du bloc.
On constate que ces propriétés sont importantes et pour la construction et pour la résistance du revêtement pendant son utilisation. En effet, a) Toute inégalité des faces P1 et P2 ainsi que toute variation . de la hauteur des blocs d'une même rangée entraînent des interstices entre deux rangées consécutives. Ces interstices doivent être remplis avec des matières réfractaires qui sont mises en place par exemple par damage.
Or il a été trouvé que les interstices ainsi remplis ont une résistance moindre que les blocs voisins et conduisent durant la cam- pagne du revêtement à des entailles profondes d'usure entre deux rangées consécutives. b) le remplissage des interstices étant supprimé, la construction du revêtement est beaucoup plus rapide. c) Des faces P1 et P2, planes et lisses, telles qu'elles se présentent après démoulage du moule de la figure 3, et une hauteur constante des blocs permettent un maçonnage rapide et exact en hauteur. L'observation exacte des niveaux pour les différentes rangées est très importante dans le cas des fours à diamètre variable. Par exemple, le périmètre de la couche II, figure 1, est plus petit que celui de la couche III.
En déplaçant donc une couche de doloblocs vers le haut ou vers le bas par rapport à sa position prévue, on ne peut s'adapter au diamètre de maçonnage qu'en ménageant des jointsverti-
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eaux entre blocs attenants. Ces joints augmentent une fois de plus la vulnérabilité du garnissage.
3) On a trouvé que le nouveau procédé rend possible un enrichissement des bloos en liant, cet enrichissement pouvant même être poussé jusqu'il'obtention d'un excès de 'liant. L'excès de liant se concentre à l'intrados du bloc, donc vers l'intérieur du four, sans affaiblir l'édifice réfractaire du four. Une partie de cet excès de liant est donc brûlée pendant le chauffage du revêtement réfractaire, ou pendant les opérations métallurgiques suocédant au maçonnage. Sous l'effet des gradients de température s'éta- blissant dans l'épaisseur du revêtement, une autre partie du liant excédentaire migre vers les couches extérieures du revêtement qu'elle enrichit de façon bénéfique.
L'avantage que prooure l'emploi d'un léger excès de liant est bien connu, par exemple dans la fabrication, par vibration, de fonds pour convertisseurs Thomas, où la matière réfractaire de base est le plus souvent la dolomie, et ou le liant, qui est généralement du goudron, améliore les propriétés réfractaires de la matière de base. Mais l'expérience a montré que tout excès de liant est défendu lorsqu'on vibre des blocs réfractaires selon l'ancienne méthode décrite par la figure 2, par ce que l'excès de liant vient se rassembler qu-dessus de la face P2 du bloc, créant une couche de très faible résistance entre deux blocs superposés.
4) Outre ces gains de qualité pour les blocs et le maçonnage, la nouvelle méthode de damer ou de vibrer les blocs en position couchée procure la possibilité très utile d'adapter, par des moyens simples mais efficaces, l'épaisseur et la composition des blocs au profil d'usure ainsi qu'aux sollicitations spéciales constatées à certains endroits
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critiques du revêtement : a) Par deux possiulités de modifier l'épaisseur des blocs tout en maintenant, sans aucune modification de forme, le moule de la figure 4a. Ces modifications possibles de l'épaisseur sont décrites par les figures 4b et 4c.
En effet, il est possible de varier l'épaisseur du bloc représenté sur la figure 4 a une première fois en modifiant le degré de remplissage du moule, suivant le tracé A'B par exemple de la figure 4b. Ainsi le bloc est rendu uniformé- ment plus épais suivant le tracé en pointillé de l'arête A'B' de la figure 1, Un deuxième moyen de varier l'épaisseur d'un bloc est de modifier l'angle d'inclinaison du moule avec la table de vibration, de sorte que l'angle X de la figure 4a devienne l'angle X' de la figure 4c, par exemple.
Ainsi l'épaisseur du bloc varie progressivement suivant le tracé en pointillé de l'arête AB' de la figure 1. L'incli- naison X du moule par rapport à l'horizontale peut être changée par un moyen mécanique très simple. Un tel moyen pratique consiste, à titre d'exemple non limitatif, à fixer par boulonnage ou par soudure, des tôles de hauteur adéquate en-dessous du fond du moule. Il est évident que, compte tenu des limites du moule, les deux moyens de varier l'épaisseur d'un bloc décrits ci-dessus, peuvent être judicieusement combinés pour arriver à une épaisseur optimum, c'est-à-dire la mieux adaptée à l'usure. b) par la possibilité de fabriquer des blocs composites donnant lieu à des revêtements constitués de couches coaxiales de matières réfractaires différentes.
En effet, grâce à la position couchée du bloc sur la table de vibration (fig. 3) on peut faire se succéder deux ou plusieurs couches de matières réfractaires différentes pendant le remplissage du moule. Ainsi, à titre d'exemple, la partie hachurée du ,
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bloc de la figure 4a pourra consister en une matière ré- fractaire plus résistante et plus chère, tandis que le restant de l'épaisseur du bloc consistera en une matière réfractaire moins résistante et donc généralement moins chère, Dans la position que le bloc occupe dans le conver- tisseur (figure 1), la partie hachurée du bloc forme une couche coaxiale en matière réfractaire spéciale dont l'épaisseur peut être choisie conformément à l'attaque observée en cet endroit du revêtement.
En des endroits déterminés du convertisseur, qui sont connus pour être exposés à une usure particulièrement sévère, comme par exemple à la hauteur des tourillons ou encore à l'endroit du trou de coulée, les irrégularités d'usure peuvent donc désormais être compensées, avec un minimum de frais, par l'emploi judicieux de matières réfractaires plus résistantes, c) En combinant les techniques 4a et 4b, la nouvelle méthode de fabrication permet d'obtenir des blocs composés de deux ou plusieurs couches de matières réfractaires différentes, l'épaisseur de chaque couche pouvant tre rendue constante ou progressivement variable par le choix d'un angle X diffé- rent pour chaque couche.
Compte tenu de la facilité que procure la nouvelle méthode de fabriquer des blocs composites et de faire varier à volonté leur épaisseur, la souplesse d'adaptation des grands blocs est désormais tout à fait comparable à celle connue pour le maçonnage avec des briques de petit format, Rien ne s'oppose donc plus à ce que les avantages de qualité et de fabrication des blocs, ainsi que les avantages de rapidité et de qualité de maçonnage, inhérents au maçonnage en blocs de grande dimension, puissent.' être étendus à tous les fours métallurgiques dont le rapport hauteur sur diamètre est élevé et dont le diamètre est variable avec la hauteur,
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notamment à tous les convertisseurs à oxygène utilisés pour la fabrication de l'acier.
Les exemples suivants illustrent les progrès réalisés par l'application successive des techniques nouvelles qui font l'objet de la présente invention.
La durée de vie du revêtement réfractaire d'un convertisseur LD-AC est brusquement et considérablement augmentée en moyenne p.ex. de 21 % dans un cas particulier d'application lorsque selon les techniques ci-dessus décrites on abandonne la vibration "debout" au profit de la vibration "couchée". Par cette mesure les blocs deviennent parfaitement homogènes et de dimensions rigoureusement exactes et reproductibles. Les cavités qui se creusaient toujours entre deux blocs superposés vibrés selon l'ancienne méthode et qui conduisent régulièrement à l'arrêt prématuré de la campagne, disparaissent. Parallèlement la consommation de produits réfractaires, exprimée en kilogrammes par tonne d'acier produite, est abaissée en conséquence.
On obtient une deuxième augmentation sensible. p. ex. égale à 24 % pour le cas considéré, de la duré de ce revêtement par la seule mesure décrite sous 3), à savoir par l'enrichissement du réfractaire en goudron, Cette nouvelle augmentation de durée entraine une nouvelle réduction importante de la consommation de matières réfractaires.
Il a pu être montré que la durée du revêtement peut encore être augmentée par le renforcement d'une zone définie bien que restreinte qui s'use habituellement avant les zones adjacentes. Ce renforcement réalisé selon les techniques 4 a,
4 b ou4 c conformément à la présente invention, conduit 4 une nouvelle augmentation de la durée du revêtement. On a par exemple obtenu dans-un cas défini une augmentation de 12%
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de la durée et une réduction correspondante des frais pour matières réfractaires.
La possibilité, créée par latechni- que 4 a), de donner aux différentes couches, dont les blocs sont composés,.des épaisseurs progressivement décroissantes, permet une économie substantielle de matière réfractaire spéciale, l'épaisseur de cette matière réfractaire spéciale tendant progressivement vers zéro, aux limites de la zone d'usure préférentielle.
Le gain total réalisé dans l'exemple mentionné moyennant les trois moyens cités, faisant l'objet de la présente invention, a apporté une augmentation totale moyenne de 68 % de la durée du revêtement et une économie de matières réfractaires du même ordre de grandeur.
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Process and device for the manufacture of large refractory blocks intended for the masonry of converters and industrial furnaces.
Since 1964- ARBED has been carrying out research at the Esch-Schifflange plant on the use of large-scale refractory blocks for the masonry of converters or industrial furnaces. The problem of placing large refractory blocks in industrial furnaces with a high height-to-diameter ratio and whose diameter is variable with height, such as converters ¯. Or metallurgical furnaces, was solved in 1964 thanks to the invention of a masonry machine, Luxembourg patent n.44.446, which can operate inside these ovens.
The present patent application relates to a new method
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and new means of manufacturing large refractory blocks intended for the masonry of such industrial furnaces, the refractory lining of which is composed of several rows of superimposed blocks, eg as outlined in Figure 1 in the appendix. In figure 1, the axis of the furnace is represented by the line xy, C designates the metal frame, B the permanent or safety coating, I, II, III, IV and V are sections through the refractory blocks that make up the wear coating. Figure 2 describes the old method of making blocks
Block III of figure 1 is shown in figure 2, surrounded by its mold and standing on the vibration table.
By using for the manufacture of blocks for converters the traditional method, as it has been employed for a long time for the refractory blocks of arc furnaces, that is to say, straight cylindrical furnaces of low height, experience shows that these blocks have substantial disadvantages as to the rapidity of masonry; the quality of the individual blocks and the quality or duration of the lining of the high ovens. Indeed, the blocks manufactured according to the traditional method (figure 2) have. a strictly defined and invariable thickness, but a height which can vary accidentally by several centimeters.
In addition, their upper surface P2 is not absolutely flat and smooth, their upper layer exhibits defects, for example an impoverishment or an enrichment in tar, such as may result from heating. intermediate followed by a second vibration. Finally, they wear out irregularly due to the formation of local cavities which are preferably located in the vicinity of the horizontal separation planes and which lead to the premature stopping of the coating campaign.
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All the flaws and disadvantages associated with the manufacture of blocks according to the traditional method (figure 2) are eliminated by the new method and the new means of manufacture which are the subject of the present invention, the new method of manufacture (figure 3). ) consists essentially in vibrating the blocks in the "lying" or horizontal position, as opposed to the "standing" or vertical position which they occupy in the oven (figure 1) and which they occupied in the old method on the table vibration or tamping (Figure 2).
According to the new method of manufacture by tamping or by vibration, the block III of FIG. 1 therefore rests, as indicated in FIG. 3, on its exterior face, that is to say the face which in the converter touches the permanent coating or metal casing of the converter.
As a result, the five faces which in the converter touch the neighboring blocks or the permanent coating are strictly defined by the corresponding faces of the mold which they touch during the manufacture of the block.
It has been found that this new method of making blocks in the "lying position", as opposed to the "upright" position occupied by the block in the converter, makes it possible to obtain blocks for converters which give better results than those of the converter. blocks made using the traditional method. Indeed, the new process and the new means of manufacturing refractory blocks not only provide better individual blocks nor only more precise and more resistant assemblies (buildings) of blocks, but also allow the application of several techniques of refractory. 'improvement.
1) The most important properties for the life of the fillings, such as density, tar content and
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the particle size distribution are very homogeneous in any plane or any layer parallel to the interior surface A1 A2 B1 B2 of the blocks manufactured according to the new process (figure 3).
This homogeneity results in very even wear parallel to the interior surface.
2) The lower P1 and upper P2 faces of the blocks produced using the new process are perfectly smooth and flat. In addition, the height of these blocks is essentially constant and equal to the distance between the walls of the mold which touch the faces P1 and P2 of the block.
These properties are found to be important both for the construction and for the resistance of the coating during use. Indeed, a) Any inequality of the faces P1 and P2 as well as any variation. the height of the blocks in the same row lead to gaps between two consecutive rows. These interstices must be filled with refractory materials which are put in place for example by tamping.
However, it has been found that the interstices thus filled have a lower resistance than the neighboring blocks and lead during the coating campaign to deep notches of wear between two consecutive rows. b) the filling of the interstices being eliminated, the construction of the coating is much faster. c) Faces P1 and P2, flat and smooth, as they appear after demoulding from the mold of FIG. 3, and a constant height of the blocks allow rapid and exact masonry in height. The exact observation of the levels for the different rows is very important in the case of variable diameter furnaces. For example, the perimeter of layer II, Figure 1, is smaller than that of layer III.
By moving a layer of doloblocs up or down in relation to its intended position, one can only adapt to the masonry diameter by leaving vertical joints.
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water between adjoining blocks. These seals once again increase the vulnerability of the packing.
3) It has been found that the new process makes possible an enrichment of the bloos by binding, this enrichment being able even to be pushed until an excess of binder is obtained. The excess binder is concentrated on the lower surface of the block, therefore towards the interior of the furnace, without weakening the refractory structure of the furnace. Part of this excess binder is therefore burnt off during the heating of the refractory lining, or during metallurgical operations resulting in masonry. Under the effect of the temperature gradients established in the thickness of the coating, another part of the excess binder migrates to the outer layers of the coating which it beneficially enriches.
The advantage of using a slight excess of binder is well known, for example in the manufacture, by vibration, of bases for Thomas converters, where the base refractory material is most often dolomite, and / or binder, which is usually tar, improves the refractory properties of the base material. But experience has shown that any excess of binder is prohibited when refractory blocks are vibrated according to the old method described in figure 2, because the excess binder comes together only above the face P2 of the block, creating a very low resistance layer between two superimposed blocks.
4) In addition to these quality gains for blocks and masonry, the new method of tamping or vibrating the blocks in the lying position provides the very useful possibility of adapting, by simple but effective means, the thickness and the composition of the blocks. blocks with a wear profile as well as the special stresses observed in certain places
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criticisms of the coating: a) By two possibilities of modifying the thickness of the blocks while maintaining, without any modification of shape, the mold of FIG. 4a. These possible changes in thickness are described in Figures 4b and 4c.
In fact, it is possible to vary the thickness of the block shown in FIG. 4a for the first time by modifying the degree of filling of the mold, following the line A'B for example in FIG. 4b. Thus the block is made uniformly thicker following the dotted line of edge A'B 'in figure 1. A second way to vary the thickness of a block is to modify the angle of inclination of the block. mold with the vibrating table, so that the angle X in Figure 4a becomes the angle X 'in Figure 4c, for example.
Thus the thickness of the block varies progressively along the dotted line of the edge AB 'of FIG. 1. The inclination X of the mold with respect to the horizontal can be changed by very simple mechanical means. Such a practical means consists, by way of nonlimiting example, in fixing by bolting or by welding, sheets of adequate height below the bottom of the mold. It is obvious that, taking into account the limits of the mold, the two means of varying the thickness of a block described above can be judiciously combined to arrive at an optimum thickness, that is to say the best suited. to wear. b) by the possibility of manufacturing composite blocks giving rise to coatings made up of coaxial layers of different refractory materials.
Indeed, thanks to the lying position of the block on the vibration table (fig. 3) it is possible to make two or more layers of different refractory materials succeed one another during the filling of the mold. Thus, for example, the hatched part of the,
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block of Figure 4a may consist of a more resistant and more expensive refractory material, while the remainder of the thickness of the block will consist of a less resistant and therefore generally less expensive refractory material, In the position that the block occupies in the converter (Figure 1), the hatched part of the block forms a coaxial layer of special refractory material, the thickness of which can be chosen in accordance with the attack observed at this location of the coating.
In specific locations of the converter, which are known to be exposed to particularly severe wear, such as for example at the height of the journals or again at the location of the tap hole, the wear irregularities can therefore now be compensated, with a minimum of costs, by the judicious use of more resistant refractory materials, c) By combining techniques 4a and 4b, the new manufacturing method makes it possible to obtain blocks composed of two or more layers of different refractory materials, the thickness of each layer can be made constant or progressively variable by choosing a different angle X for each layer.
Taking into account the ease provided by the new method of manufacturing composite blocks and of varying their thickness at will, the flexibility of adaptation of large blocks is now quite comparable to that known for masonry with small-format bricks. Nothing therefore stands in the way of the advantages of quality and manufacture of blocks, as well as the advantages of rapidity and quality of masonry, inherent in masonry in large-dimension blocks. ' be extended to all metallurgical furnaces with a high height-to-diameter ratio and whose diameter varies with height,
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in particular to all oxygen converters used in the manufacture of steel.
The following examples illustrate the progress made by the successive application of the new techniques which form the subject of the present invention.
The lifetime of the refractory lining of an LD-AC converter is suddenly and considerably increased on average, for example by 21% in a particular case of application when, according to the techniques described above, the "standing" vibration is abandoned. in favor of the "lying" vibration. By this measurement the blocks become perfectly homogeneous and of rigorously exact and reproducible dimensions. The cavities which were still dug between two superimposed blocks vibrated according to the old method and which regularly lead to the premature end of the campaign, disappear. At the same time, the consumption of refractory products, expressed in kilograms per tonne of steel produced, is reduced accordingly.
A second significant increase is obtained. p. ex. equal to 24% for the case considered, of the duration of this coating by the sole measure described under 3), namely by the enrichment of the refractory with tar, This new increase in duration leads to a further significant reduction in the consumption of materials refractory.
It has been shown that the duration of the coating can be further increased by reinforcing a defined although small area which usually wears out before the adjacent areas. This reinforcement carried out according to techniques 4a,
4 b or 4 c in accordance with the present invention leads to a further increase in the duration of the coating. For example, in a defined case an increase of 12% was obtained
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duration and a corresponding reduction in refractory costs.
The possibility, created by technique 4 a), of giving the different layers, of which the blocks are composed, progressively decreasing thicknesses, allows a substantial saving in special refractory material, the thickness of this special refractory material gradually tending towards zero, at the limits of the preferential wear zone.
The total gain achieved in the example mentioned by means of the three means mentioned, which is the subject of the present invention, brought an average total increase of 68% in the duration of the coating and a saving in refractory materials of the same order of magnitude.